Effet Magnus et turbulence dans le football - Définition

Importance des deux phénomènes dans la frappe « banane »

Puisqu’un ballon de football laisse un sillage dans l'air qui peut être soit turbulent soit laminaire, et que la balle se comporte de façon différente dans chaque cas, c’est la différence entre l’écoulement turbulent et laminaire qui explique la trajectoire particulière de la frappe banane. Lors de l’écoulement turbulent, le ballon est entouré de tourbillons d’air qui n'offrent pas de grande résistance et n’augmentent pas sa traînée relativement à sa vitesse. C’est en créant de la turbulence que les balles de golf volent plus loin à cause des fossettes qui recouvrent leur surface. Un ballon de football est plus lisse, mais les irrégularités, comme les points de suture qui le tiennent ensemble, peuvent aussi créer de la turbulence si le ballon se déplace rapidement.

La faible résistance de l'air tend à annuler l'effet Magnus quand le fluide est turbulent. Cependant, le ballon ralentit quand-même, et tôt ou tard, il franchit le seuil de 2 300 entre l'écoulement turbulent et l'écoulement laminaire. Là, la résistance s’accroît et l’effet Magnus reprend sa force originale. Donc la balle commence son trajet avec un léger effet qui soudain (par exemple, une fois le mur défensif franchi) s’accentue, expliquant cette trajectoire en forme de banane.

Pour réussir, il faut que le ballon soit frappé très fort et en lui donnant beaucoup d'effet pour que la rotation ne se dissipe pas avant le moment crucial entre l’étape turbulent et l’étape laminaire. Un tel type de frappe réussit mieux par temps sec. En effet, l'humidité des surfaces du ballon et de la chaussure de frappe diminue la friction or une friction importante est nécessaire pour créer une rotation importante du ballon (même si une petite rotation est obligatoirement générée par la simple déformation du ballon au contact du pied du joueur au moment de la frappe). Au football, la technique normale est de frapper très fort le ballon avec l’extérieur du pied du côté vers lequel on veut courber la balle, soit l’opposé d’une frappe enveloppée normale. Lors de l'exemple pré-cité, le joueur brésilien Roberto Carlos prend le maximum d'élan pour frapper fortement la balle. Il frappe la balle de la gauche vers la droite, de l'extérieur du pied gauche, et vers la droite du but. La balle passe à droite du mur des défenseurs français, avec un début de trajectoire assez droite avant de se courber assez fortement en fin de course, horizontalement vers la gauche donc vers le but pour finir par heurter le montant intérieur du poteau et rentrer dans le but.

La turbulence explique aussi la tendance des tirs forts et sans effet d’avoir des glissements et des sauts imprévisibles en l’air (« balle flottante »). Ici, en absence d’effet, la seule influence sur la trajectoire de la balle est celle de la turbulence aléatoire. Ceci explique aussi les craintes des gardiens de but lorsqu'une compétition se joue avec un nouveau ballon. Si son poids, son volume et sa forme n'ont pas changé (paramètres normalisés dans les compétitions de football), sa surface peut être légèrement différente et influer sur les longues trajectoires.

Écoulement turbulent contre écoulement laminaire

Le second phénomène est celui du fluide turbulent comparé à un fluide laminaire. Pour mieux visualiser les phénomènes de turbulence, il suffit de regarder le sillage d'un bateau, la turbulence étant plus facilement visible dans l'eau que dans l'air. Ainsi ce sillage devient moins lisse et avec plus d'écume quand le bateau accélère. Un sillage écumé est une indication que le fluide qui s’écoule sur le corps est turbulent, un sillage calme que le fluide est laminaire.

Un fluide est turbulent quand l’effet de l’inertie sur diverses couches du fluide est plus grand que l’effet de la viscosité qui tend à les annuler. Ceci veut dire que des masses du fluide circulent autour de l’objet de façon aléatoire. Si un fluide est laminaire, ses particules ne se déplacent que le minimum nécessaire et la viscosité du fluide le retient sur la surface de l’objet.

Pour déterminer si un fluide s’écoule de façon laminaire ou turbulente, on utilise le nombre de Reynolds (voir aussi nombre de Richardson et nombre de Grashof) qui donne le rapport entre les effets de l’inertie et de la viscosité. Généralement, un nombre de Reynolds supérieur à 2 300 indique un fluide turbulent, un nombre inférieur indiquant un fluide laminaire.